‧科學人 2010/05/11 由手機等行動裝置相互連結而成的無線隨意網路，讓我們再也不需要龐大的基地台，也不必再擔心停電造成通訊中斷。 【撰文／Michelle Effros、Andrea Goldsmith、Muriel Medard翻譯/王怡文】 (照片提供/科學人)重點提要 ■隨意網路不需要固定的網路基礎設施，而是靠各個裝置互相連結成網路，以接力的方式傳遞資訊。 ■這種網路可以用在傳統行動網路設施建造起來太難或太貴的地方，例如偏遠地區及戰場。 ■所有隨意網路都是不斷變化的，必須運用創新策略來避免資料遺失並降低干擾。 身在這個Facebook、推特和iPhone的時代，我們很容易把聯絡外界的能力視為理所當然。然而最需要通訊的時候，往往正是通訊設施失靈的時候。例如2010年初的海地大地震後數天內，當地的通訊大多只能靠救援機構提供的衛星電話。不過，就算只是像停電這樣的普通事故，也會使手機通訊網失靈，讓我們的主要緊急通訊設備變成只會閃閃發光的紙鎮。 這類事故發生時，有個越來越值得考慮的選擇，就是建立「隨意網路」（ad-hoc network）。只要內建專用程式的手機等通訊裝置位在彼此的通訊範圍內，它們就能自己建立隨意網路。網路中的每部裝置都兼具發送器與接收器的功能，最重要的是，它們還身兼附近其他裝置的訊號中繼站，所以就算是距離遙遠的裝置也能通訊，只要位在它們中間的其他裝置能夠幫忙，就能像接力賽跑一樣，一個接一個把訊息傳遞下去。換句話說，網路中的每個節點，不但能為自己收發訊息，也是他人訊息的傳輸管道。 救災只是隨意網路的可能用途之一。在任何建設固定基礎設施太慢、太難或太貴的地方，隨意網路都能派上用場。美軍已投資大筆資金設計這種系統，以供戰場通訊之用。家裡有了隨意網路，客廳或辦公室就不必再拉一堆線路。缺乏寬頻建設的偏遠地區和低收入社區，可透過隨意網路上網。有意研究樹梢或海底熱泉等微環境的科學家，也可以在他們想研究的環境遍撒感應器，而不必煩惱哪些感應器能接收彼此訊號，或資訊如何穿越叢林傳到研究人員的筆記型電腦上。 隨意網路已經發展了30年以上，但直到近幾年，才在網路理論的進步之下，實現了第一個大規模實用案例。美國舊金山的40萬戶居民，在新創公司Meraki Networks的解放網路計畫（Free the Net）下，以隨意網路技術連上網際網路。手機、電腦遊戲系統和筆記型電腦裡的藍牙零件也是用隨意網路技術，讓裝置不用接線或手動設定就能互通。隨意網路也已運用在多種偏遠或不宜人居的環境，蒐集低功率無線感應器回傳的資料。隨意網路要普及，還有些地方尚待突破，但已經逐漸有進展了。 隨時自我修復 隨意網路目前仍很少見。要了解為何進展如此緩慢，可以想想這種新方法和手機、Wi-Fi這類無線技術之間的差別。當你用普通手機打給朋友時，只有手機到最近的基地台之間是無線的，定點設置的各基地台之間是透過龐大的有線網路來通訊；Wi-Fi之類的無線區域網路，也都要靠固定的天線和有線通訊設施。 這種方法有優點也有缺點。傳送資訊需要電力，而典型的無線網路為了幫電池供電的裝置（例如手機和筆記型電腦）省電，盡可能把大部份通訊負擔交給以電力網供電的固定設施。同理，無線頻寬是固定而有限的資源，傳統無線系統為了節省頻寬，大部份資訊也都是透過線路發送。運用固定設施，才能在通訊需求最高的地方，建置大多數時候都很可靠的大型電信與Wi-Fi通訊服務。 然而運用固定設施的網路系統容易受停電及其他中央系統問題影響，導致通訊網路失靈，遇上這種情形，就算手機和筆記型電腦是好的也沒用。相較之下，隨意網路有其獨特的強韌性，如果其中一部行動裝置沒電或關機，其他裝置會盡量修改網路結構來彌補消失的部份。裝置來來去去，網路也會跟著不斷調整與「修復」。 不過這種自我修復的能力是要付出代價的。隨意網路發送資訊的方法必須很聰明，以便就算發送器與接收器中間有些連結在傳輸時中斷，還是能重組出訊息。系統也必須判斷出把訊息傳給接收端的最佳方式，就算發送裝置不知道接收端的位置也一樣。最後，由於許多部裝置可能會幾乎同時傳送訊息，隨意網路還必須克服訊息彼此干擾產生的雜訊。 確保資訊完整傳送的方法 要在一個不斷變動的網路中，決定出有效傳送資訊的路徑，一直以來都是難解的問題，原因有許多個。在傳統手機或其他無線網路中，中央有線設施會持續追蹤各個裝置大概的位置，以便在接收使用者送來的訊息之後，直接導向給訊息接收者。 相較之下，隨意網路裡的通訊裝置必須自己判斷傳送資訊的最佳方式。各裝置的計算能力、記憶體和通訊能力都是有限的，無法像傳統無線網路的中央電腦那樣蒐集或處理所有資訊。 這狀況可以用下面的故事說明：假設你在一個大城市裡（例如倫敦），必須聯絡你的朋友，而他在這個城市另一邊的某個不知名的地方。在這個虛構世界裡，通訊設施是裝在計程車的車頂上，每部車上的接收器有效範圍不到1.6公里，而計程車車速比通訊速度慢多了，因此計程車必須接力傳遞你的訊息。車子在城裡穿梭時，會和鄰近的接收器互相連線，之後不知道什麼時候又會中斷連線。你撥的電話就必須在這個起起伏伏的網路上跳躍前進，穿越城市找到你的朋友，傳遞資訊內容。 僅僅在小型網路裡傳一筆訊息，就已經很困難了，而隨著裝置與訊息的增加，困難度更是往上攀升。要讓這項技術真正派上用場，無論網路規模多大或多小，運作都必須有效率。 研究人員已發展出許多技術來解決這個問題，使用的核心概念就是多多「問道於鄰」。接收器詢問它的鄰居看看附近有什麼裝置，鄰居們再去詢問各自的鄰居，以此類推，直到你朋友收到訊息為止。你朋友的回覆可以沿同一路徑傳送回來，也可以另覓路徑。如此這般，你和朋友之間的每部裝置都會整理出你倆之間可行路徑的清單。有了這張清單，即使你手上的裝置不知道你朋友所在位置，還是能將訊息傳送給他。由於網路結構是動態的，裝置必須不斷重複詢問與回應的過程，隨時更新清單上的可能路徑。 另一個實用方法是同時沿多條路徑發送資訊，以增加訊息傳送成功的機率。問題是，系統應該傳送多少次重複的訊息？一個極端的做法是，沿所有可能的路徑各傳送同一筆完整訊息。這個策略的確會提高訊息傳送成功的機率，但若每筆訊息都採取這個做法，很快就會把網路塞爆。另一個極端是，我們可以把訊息切割成一連串的小塊，每個小塊沿自己的一條路徑傳送出去。這個方法耗費的網路資源較少，但是傳送過程可能會遺失許多位元，接收端只能收到不完整的訊息。 有個稱之為「網路編碼」（network coding）的技術，提供了折衷方案，做法是把訊息切割成小塊，算出每個小塊的詮釋資訊（meta information），然後把詮釋資訊沿多條路徑傳送出去，其特殊設計使得就算有些小塊遺失了，接收端還是能重組出原始資訊。 【完整內容請見《科學人》2010年第99期5月號】